Replicación

Replicación

Copiar: Genial para el ADN, genial para nosotros

Cuando algunos compañeros de Shmoop estaban en el colegio, sus profesores siempre les pillaban copiando. Pero, los compañeros decían a sus profesores que copiar estaba en su ADN. Ella no podía discutir esa lógica, así que nunca se metían en problemas. Qué historia más bonita.

¿Qué paralelismo estamos tratando de establecer con este cuento tan poco sutil y cursi? El ADN se copia todo el tiempo, y debe hacerlo si quiere seguir creando todas esas células. Y, ¡cómo lo hace! La replicación del ADN es la copia del ADN para que las células que se replican tengan suficiente ADN para las células hijas, o las nuevas células derivadas de la célula original. La división celular, o la transformación de una célula en dos nuevas células, se produce a través de la mitosis en el caso de las células no sexuales, o aquellas células que no participan en… el sexo, y de la meiosis en el caso de las células sexuales, o aquellas células que se ensucian más rápido que Vinny y Pauly D en una buena noche de Karma.

Es sólo una fase: Mitosis o Meiosis

Aunque las células vienen en todas las formas y tamaños, como un anuncio de Benetton, hay básicamente dos tipos de células:

1. Células sexuales (no, no son esas cosas de Ámsterdam)
2. Células somáticas (células no sexuales, que tampoco son las cosas de Ámsterdam)

Las células sexuales son las que producen la descendencia de los eucariotas que se reproducen sexualmente, y se dividen en las siguientes:

1. Espermatozoides que contienen la mitad masculina del ADN
2. Huevos que contienen la mitad femenina del ADN

Hay cuatro etapas principales en el ciclo vital de la mayoría de las células eucariotas (excluyendo las células sexuales).

Se llaman

• Fase Gap 1 (o G1)
• Fase de síntesis (o «S»)
• Fase Gap 2 (G2)
• Mitosis

Y, no, el Gap no patrocina la mitosis. Las fases G1, S y G2 se llaman normalmente «interfase», sobre todo por la gente que estudia la mitosis. Aunque, si las consigues solas, las llaman «fase aburrida».

G1

G1 es la fase del ciclo vital eucariota después de la mitosis y antes de la síntesis de ADN, que es la fase S. Durante la mitosis, la mayor parte de la actividad no relacionada con la mitosis se ha apagado, y G1 es el periodo en el que todo vuelve a empezar. G1 es como un insomne enloquecido que despierta a la célula diciendo: «¡Oye, he estado recortando cupones toda la noche, es hora de que te despiertes y juegues conmigo!»

Fase S

La fase S es la fase de replicación del ADN del ciclo vital. Hablaremos más sobre esto más adelante, pero si no puedes esperar, haz clic adelante. Esta fase es donde la célula duplica la cantidad de ADN para hacer suficiente ADN para las células hijas, y la célula pasa de 2n a 4n, donde n es el número de juegos de cromosomas, o ploidía. La mayoría de las células somáticas son 2n, o diploides, mientras que las células sexuales son haploides, lo que significa que tienen la mitad de ADN que las células somáticas (células normales).

Fase G2

G2 es la Jan Brady del ciclo celular. Todo el mundo habla siempre de «¡Mitosis, Mitosis, Mitosis!» y nadie se preocupa del pobre G2. Es el periodo del ciclo celular donde se produce más síntesis de proteínas y se fabrican los microtúbulos, que son importantes para la mitosis. «¿Eso es todo?» ¿Preguntas? Sí. En realidad no es tan importante, por lo que muchas células se saltan este paso. Las células de rana se lo saltan, así como muchas células cancerosas. Pobre G2…

Mitosis

La mitosis es la etapa del ciclo celular que es tan importante, que tiene un ciclo propio. La mitosis comienza después de G2, y se inicia con la profase, o la condensación de la cromatina en cromosomas y centrosomas que se mueven hacia los polos opuestos de la célula. A esta etapa le sigue la prometafase, una fase intermedia entre la profase y la metafase, en la que la envoltura nuclear se rompe y los cromosomas comienzan a ensamblarse en microtúbulos que conectan los centrosomas. En la metafase todos los cromosomas se alinean en el centro, a lo que sigue la anafase, en la que los cromosomas se dividen por la mitad y las cromátidas hijas se desplazan al polo del centrosoma más cercano. La telofase y la citocinesis son los pasos finales de la división celular y el reensamblaje del núcleo en dos células hijas, respectivamente.

Meoisis

La meiosis es la fase M de las células sexuales. Comienza como la mitosis, y tras la producción de las dos primeras células hijas, continúa un segundo ciclo de mitosis. Las 2n células hijas se dividen aún más para producir 4 células hijas, y un montón de bodas sobrevaloradas, cada una con n cromosomas.

En el principio…Orígenes de la replicación del ADN

Si el ADN nunca se replicara, la meiosis y la mitosis reducirían lentamente a la mitad el tamaño del genoma hasta que cada célula muriera, lo que probablemente no tardaría mucho. Por lo tanto, es importante que el ADN se duplique para dar cuenta de la división de las células durante la mitosis/meiosis. La replicación del ADN es similar a la transcripción del ARN.

Abajo está una tabla que compara los dos:

	Replicación del ADN	Transcripción del ARN
Producto	DobleADN	ARNm
Enzima	ADN polimerasa	ARN polimerasa
Nucleótidos Añadido	Trofosfatos de deoxinucleótidos	Trofosfatos de nucleótidos
Cadena patrón	Ambos	Ambos, pero sólo transcribe de la hebra antisentido

¿Cómo se llaman los sitios donde comienza la replicación? Orígenes. Nos hubiera gustado que lo llamaran Star Wars Episode I: The Phantom Menace, pero ese nombre ya estaba cogido.

Los orígenes difieren según el tipo de ADN. La mayoría de las células eucariotas y algunas bacterias y virus tienen un ADN lineal, lo que significa que hay un principio y un final en la secuencia de ADN. Por lo tanto, los orígenes de replicación se encuentran en el extremo 5′ del ADN lineal. La mayoría de las bacterias y algunos virus tienen ADN circular, lo que significa que hay una secuencia específica a la que se unen las proteínas de replicación del ADN (lo que es algo análogo a la transcripción del ARN), y la replicación comienza a partir de este sitio.

La replicación del ADN comienza con la unión de una proteína iniciadora, como la dnaA en la bacteria E. coli, o un complejo de proteínas, como el complejo de reconocimiento del origen en la levadura. La función de los iniciadores es separar las dos hebras de ADN para que pueda comenzar la replicación. Esta situación no es muy diferente a la de un gato que levanta tu coche cuando cambias una rueda. (Porque todos sabemos cómo hacerlo, ¿verdad?) Si no sabes cómo cambiar una rueda, llama a una empresa de grúas y pregúntales cómo lo hacen. Después de que te digan cómo, grita: «¡Eso es exactamente como la Replicación del ADN!» cuelgue el teléfono, y luego rece para no tener que cambiar nunca más un neumático.

Una vez que el ADN ha sido separado, los cebadores de ARN entran, uno se une a cada hebra de ADN, y entonces la replicación del ADN procede en una dirección de 5′ a 3′. Es importante darse cuenta de que hay dos replicaciones de 5′ a 3′ que ocurren simultáneamente. Cada una de estas dos replicaciones se denomina horquilla de replicación. No hay que confundirlas con la cuchara de duplicación.

Pasa la horquilla de replicación

Cuando se divide el ADN, tenemos una hebra que va de 5′ a 3′ según miramos de izquierda a derecha, a la que llamaremos hebra «rezagada» y una hebra complementaria que va de 3′ a 5′ según miramos de izquierda a derecha, a la que llamaremos hebra «líder». Por lo tanto, cuando añadimos cebadores de ARN, uno de ellos se une a la cadena principal y el otro a la cadena secundaria. El cebador que se une a la cadena principal es idéntico a la secuencia de la cadena secundaria, mientras que el cebador que se une a la cadena secundaria es idéntico a la secuencia de la cadena principal. Esperamos que su cabeza no haya explotado todavía.

Piense en la replicación del ADN como en sus manos izquierda y derecha. Son esencialmente iguales pero tienen sutiles diferencias. Tu mano izquierda tiene el pulgar como quinto dedo si cuentas de izquierda a derecha, mientras que tu mano derecha tiene el pulgar como primer dedo. ¿Lo ves? Perdona si te hemos hecho perder la cabeza. Por lo tanto, al igual que tus manos, ambas cadenas de ADN se replican de la misma manera, pero hay una sutil diferencia. La replicación del ADN sólo funciona en dirección 5′ a 3′, por lo que dos moléculas de ADN polimerasa se unen a los cebadores de ARN y comienzan a replicarse en direcciones opuestas. La replicación de la hebra líder impulsa el proceso de replicación porque el cebador de ARN impulsa la replicación de la hebra 5′ a 3′.

«Pero Shmoop, ¿cómo se replica la hebra ‘rezagada’?», podrías preguntar.

Como su nombre indica, la replicación del ADN de la cadena principal continúa durante algún tiempo hasta que se inserta un nuevo cebador de ARN, y una segunda ADN polimerasa se ceba a partir de ese segundo cebador de ARN rezagado y replica el ADN hasta que da con el primer cebador de ARN, o tramo anterior de ADN de doble cadena. Allí, la ADN polimerasa se retira y la ADN ligasa une estos fragmentos de ADN. Este proceso continúa simultáneamente a la síntesis de la cadena principal, por lo que hay muchos pequeños fragmentos de ADN de doble cadena que se replican en la cadena rezagada. Estos fragmentos se denominan fragmentos Okazaki, en honor al dúo de esposos Reiji y Tsuneko Okazaki, que los descubrieron.

¿Ya hemos terminado?

La replicación del ADN termina en las bacterias y los virus con genomas circulares cuando las dos horquillas de replicación se encuentran en el lado opuesto del cromosoma desde el origen de replicación, en un magnífico juego de la gallina. La valiente proteína terminadora de la replicación interviene y detiene la replicación del ADN para que no choquen entre sí. Sin embargo, el mecanismo de terminación da lugar a dos cromosomas circulares entrelazados y pegados el uno al otro como anillos de mago. Las enzimas topoisomerasas, como la ADN girasa y la topoisomerasa IV, responsables de mellar el ADN, cortan temporalmente un cromosoma para que el otro pueda pasar. Ya está, arruinando los trucos de magia para todo el mundo.

Animación del acortamiento de los cromosomas lineales

Los cromosomas lineales tienen otra serie de problemas porque con estos tipos nunca se llega a la replicación completa del cromosoma completo. Cada paso de replicación acorta el ADN un poco más. Las bacterias y los virus con cromosomas lineales sortean este problema ya sea

• Iniciando la replicación en el centro del cromosoma, o bien

• Primando la replicación con una proteína en lugar de una secuencia de imprimación de ARN.

Sin embargo, los eucariotas no son capaces de hacer ninguna de estas cosas y han desarrollado secuencias terminadoras llamadas telómeros que sortean el problema del acortamiento del ADN.

Los extremos del ADN lineal de los eucariotas se llaman telómeros y, aunque se acortan regularmente en cada ciclo de replicación, unas enzimas llamadas telomerasas solucionan el problema del acortamiento del ADN. Los telómeros son altamente repetitivos, y las telomerasas añaden secuencias cortas para alargar el final del ADN de manera que no se acorten demasiado, y para que no se pierdan partes importantes de la secuencia de ADN. Las telomerasas son transcriptasas inversas, o sea, enzimas (lo sabemos por la -asa) que convierten el ARN en ADN. Ver la sección «Spiderman y otros ejemplos de ADN recombinante» para más información.

Las telomerasas toman una secuencia corta de ARN, la convierten en una secuencia de ADN de doble cadena y la unen al final del ADN. Hay una longitud mínima que los telómeros deben mantener, y si la secuencia de ADN es más corta que la longitud mínima, llamada límite de Hayflick, la célula muere. Las telomerasas garantizan que la célula pueda seguir replicándose y dividiéndose indefinidamente. Y, la sobreactividad de las telomerasas está comúnmente relacionada con el cáncer, ya que las células se vuelven inmortales, como The Highlander.

Whoops, se cometieron errores: Corrección y reparación

Probablemente esté pensando: «La ADN polimerasa se cree tan grande porque replica todo el ADN de mi cuerpo para que yo pueda sobrevivir y seguir sometiéndome a mitosis y meiosis». Vale, estamos seguros de que la mayoría de vosotros no estáis pensando eso, pero vamos a seguirle el juego al puñado de gente que sí piensa eso.

En realidad, ¡la ADN polimerasa no es tan genial! Comete errores como tú o Shmoop, aunque nuestros errores son en su mayoría producto de demasiadas bebidas energéticas de 5 horas mezcladas con Twinkies fritos. Sin embargo, la ADN polimerasa debe arreglar estos errores, mientras que nosotros en Shmoop entramos en un coma inducido por el azúcar.

A veces, en la prisa de la replicación del ADN, se añade a la secuencia una base incorrecta que no se empareja correctamente con la cadena molde. Por lo tanto, obtenemos extraños pares de bases G-T o A-G. Todos recordamos que los pares normales son G-C y A-T (¿Eh? ¿Qué es eso?). Estos pares incorrectos no son buenos para nosotros porque significa que nuestros genes mutan y nos convertimos en mutantes. Pocas mutaciones dan lugar a cosas increíbles como el teletransporte o la visión láser… o cualquier cosa sacada de X-Men. Shucks.

Los grandes eucariotas como nosotros que se replican lentamente y viven mucho tiempo no quieren que ocurran muchas mutaciones. ¿Por qué? Cualquier mutación que afecte a nuestro crecimiento no suele ser buena… y nos perjudicará. Cara triste.

Sin embargo, los organismos más pequeños, como las bacterias, los virus, e incluso las moscas, tienen ciclos de vida cortos del orden de días, y a veces, horas. Se replican como locos, donde cada nueva generación tendrá 100s-1000s individuos más que la generación anterior. Por lo tanto, las mutaciones en sus casos pueden ser más ventajosas. A veces, querrán escapar de los pesticidas, los antibióticos o los fármacos diseñados para tratarlos/matarlos, razón por la cual es tan difícil fabricar un fármaco que evite que enfermemos. Las bacterias y los virus siguen mutando y replicándose. Y, como ya hemos notado, hay poco control de errores en sus polimerasas.

Bocadillo para el cerebro

Aquí hay un vídeo muy bonito de cómo funciona realmente la replicación del ADN.

¿Puedes distinguir las polimerasas del ADN? Son las esferas multicolores, una para la cadena principal y otra para la cadena secundaria. Las polimerasas de la hebra retrasada son las que entran y salen cuando se completa la doble hebra.